DE10000182C1 - Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs (1) zur Steuerung von Armaturen (16), wobei der Stellantrieb (1) einen aus einem Frequenzumformer (19) gespeisten Elektromotor (11) aufweist, der über ein selbsthemmendes Getriebe (12) eine Armatur (16) mit einem vorgegebenen Drehmoment verstellt. Zum Schutz des Stellantriebs (1) vor unzulässiger, zerstörerischer Erwärmung bei Aufrechterhaltung des Betriebs in der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage bei Temperaturüberhöhung wird vorgeschlagen, die Temperatur des Stellantriebs (1) während des laufenden Betriebs zu messen und in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Drehzahl des Elektromotors (11) unter Aufrechterhaltung des Drehmoments zu reduzieren. Dazu werden die Amplitude und die Frequenz der Ausgangsspannung des Frequenzumformers (19) proportional zueinander verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs zur Steuerung von Armaturen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Derartige Stellantriebe werden zur Prozeßautomatisierung in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt, um Ventile, Klappen und dergleichen zu öffnen und zu schließen.
Ein derartiger Stellantrieb besteht im wesentlichen aus einem Elektromotor, der über ein selbsthemmendes Getriebe eine Armatur mit einem vorgegebenen Drehmoment verstellt. Bei Überlastung des Elektromotors tritt eine unzulässige Erwärmung der Motorwicklungen auf, die zur Beschädigung beziehungsweise zur Zerstörung der Motorwicklungen führen kann. Derartige Überlastungen treten regelmäßig beim Blockieren der Armatur und gleichzeitigen Versagen der Kraftabschaltung auf.
Darüber hinaus besteht insbesondere bei leistungsstarken Stellantrieben das Problem, daß sich selbsthemmende Getriebe infolge ihres geringen Wirkungsgrades im Dauerbetrieb stark erwärmen. Die thermische Kopplung zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe bewirkt eine zusätzliche Erwärmung des Elektromotors.
Zum Schutz der Motorwicklungen ist aus der Veröffentlichung der Fa. Auma "Drehantriebe für Steuerbetrieb", Ausgabe 2.96 bekannt, den Stromkreis zur Speisung des Elektromotors zu unterbrechen, sobald die Wicklungstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die Armatur während der gesamten Dauer einer erkannten Temperaturüberhöhung in ihrer zuletzt eingenommenen Stellung verharrt, nicht mehr auf Stellbefehle reagiert und somit der Ablauf in der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage gestört ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs zur Steuerung von Armaturen anzugeben, das es gestattet, den Stellantrieb vor unzulässiger, zerstörerischer Erwärmung zu schützen und trotz Temperaturüberhöhung den Betrieb in der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage aufrechtzuerhalten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Die Erfindung geht von einem Stellantrieb aus, dessen Elektromotor an einen Frequenzumrichter angeschlossen ist. Derartige Frequenzumrichter sind für sich allgemein bekannt und beispielsweise in DE 42 35 223 C1 beschrieben. Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs werden die Frequenz und die Ausgangsspannung des Frequenzumrichter entsprechend der steuerungstechnischen Aufgabe aus der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage eingestellt. Dabei wird die Drehzahl des Elektromotors durch die Frequenz und das Drehmoment, das zur Verstellung der gegebenen Armatur entsprechend der steuerungstechnischen Aufgabe erforderlich ist, bei gegebener Frequenz durch die Ausgangsspannung eingestellt.
In Abhängigkeit von der Beanspruchung des Stellantriebs wird im Stellantrieb eine Wärmemenge erzeugt, die im wesentlichen durch mechanische Reibung und elektrische Verlustleistung hervorgerufen wird und die größer ist als die über die Oberfläche des Stellantriebs an die Umgebung abführbare Wärmemenge, und demzufolge zu einer Temperaturerhöhung des Stellantriebs führt.
Erfindungsgemäß wird die Temperatur des Stellantriebs überwacht und in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Drehzahl des Elektromotors unter Aufrechterhaltung des Drehmoments reduziert. Dazu wird die von dem Frequenzumrichter abgegebene Motorspannung entsprechend einer vorgebbaren Kennlinie nahezu proportional zur Statorfrequenz reduziert.
Bei konstant gehaltenem Drehmoment sinkt die dem Getriebe zugeführte Leistung proportional zur Verminderung der Antriebsdrehzahl. Entsprechend dem durch die Getriebekonstruktion vorgegebenen Wirkungsgrad η, der bei selbsthemmenden Getrieben stets η ≦ 0,5 ist, sinkt die zur Erwärmung des Getriebes führende Verlustleistung.
Die Antriebsdrehzahl wird so eingestellt, daß die durch die Verlustleistung im Getriebe hervorgerufene Getriebetemperatur unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes bleibt. Vorteilhafterweise ist der Stellantrieb vor unzulässiger Temperaturerhöhung geschützt und trotzdem während Perioden erhöhter Temperatur betriebsbereit. Dadurch werden Störungen des Betriebsablaufs in der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage vermieden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines Stellantriebs
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Energieflusses in einem Stellantrieb
Fig. 3 ein Kennlinienfeld für die Verlustleistung des Getriebes in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment
Fig. 4 ein Kennlinienfeld für die Darstellung der Abhängigkeit des Drehmoments des Motors von der Spannung und der Frequenz
Fig. 5 eine Darstellung zulässiger Spannungen und Frequenzen des Frequenzumformers in Abhängigkeit von der Temperatur des Stellantriebs bei kontinuierlicher Adaption
Fig. 6 eine Darstellung zulässiger Spannungen und Frequenzen des Frequenzumformers in Abhängigkeit von der Temperatur des Stellantriebs bei fester Adaption
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Stellantriebs 1 dargestellt. Der Stellantrieb 1 besteht im wesentlichen aus einem Elektromotor 11, der über ein Getriebe 12 eine Armatur 16 mit einem vorgegebenen Drehmoment verstellt. Der Elektromotor 11 ist als Drehstrom-Asynchronmotor ausgeführt. Als Armatur 16 ist ein Ventil vorgesehen, mit dem der Durchfluß eines strömenden Mediums in einem Transportrohr 20 eingestellt wird. Das Getriebe 12 ist selbsthemmend, das heißt, der Wirkungsgrad η des Getriebes ist stets η ≦ 0,5. Damit wird vermieden, daß die von dem strömenden Medium verursachte Kraft die Armatur bei abgeschaltetem Elektromotor 11 unbeabsichtigt verstellt.
Der Stellantrieb 1 ist mit einer elektrischen Steuerung 13 ausgestattet, die am Getriebe 12 angeflanscht ist. Darüber hinaus ist ein Anschaltkasten 17 zur Anschaltung von Leitungen zur Energiezufuhr 14 und zur Einspeisung von Steuersignalen 15 vorgesehen, der am Getriebe 12 befestigt ist.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in Fig. 2 der Energiefluß in dem Stellantrieb 1 prinzipiell dargestellt. Dabei umfaßt die elektrischen Steuerung 13 einen Frequenzumrichter 19, der an die Energiezufuhr 14 angeschlossen ist. Die Energiezufuhr 14 ist durch das öffentliche Wechselstromnetz gebildet. Die dreiphasige Wechselspannung fester Frequenz und fester Amplitude wird mit dem Frequenzumrichter 19 in Abhängigkeit von den Steuersignalen 15 in eine dreiphasige Wechselspannung variabler Frequenz f und variabler Amplitude U umgeformt. Bei einem einfachen Stellantrieb 1 zum jeweils vollständigen Öffnen und Schließen der Armatur 16 sind die Steuersignale 15 auf Rechtslauf, Linkslauf und Stillstand des Elektromotors 11 beschränkt.
Die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 ist an die Statorwicklungen des Drehstrom-Asynchronmotors 11 angeschlossen. Die Drehzahl n des Rotors des Elektromotors 11 wird durch die Frequenz f mit n ~ f und das Drehmoment M bei gegebener Frequenz f durch die Amplitude U der Ausgangsspannung mit M ~ U2/f2 eingestellt. Die Korrelation dieser Werte ist in der elektrischen Steuerung 13 gespeichert.
Die Rotorwelle des Elektromotors 11 ist mechanisch mit dem Antriebsstrang des Getriebes 12 und der Abtriebsstrang des Getriebes 12 mit der Armatur 16 gekoppelt.
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Stellantriebs 1 wird im Stellantrieb in Abhängigkeit von der Beanspruchung eine Wärmemenge erzeugt, die seitens des selbsthemmenden Getriebes 12 infolge des Wirkungsgrades von maximal 50% durch mechanische Reibung und seitens des Elektromotors 11 im wesentlichen durch ohmsche Verluste in den Wicklungen verursacht ist. Zum Schutz des Stellantriebs 1 vor unzulässiger, zerstörerischer Erwärmung wird die Temperatur ϑ des Stellantriebs 1 mit mindestens einem Temperaturfühler 18 überwacht.
In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, die Temperatur ϑ des Stellantriebs 1 am Getriebe 12 zu messen. Vorteilhafterweise wird hierbei die Erwärmung des Stellantriebs 1 infolge der hohen Verlustleistung im Getriebe 12 bei dynamischer Beanspruchung, die mindestens die Hälfte der vom Elektromotor 11 zugeführten Leistung beträgt, erfaßt.
In einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, die Temperatur ϑ des Stellantriebs 1 am Elektromotor 11 zu messen. Vorteilhafterweise wird hierbei die Erwärmung des Stellantriebs 1 infolge der ohmschen Verluste in den Wicklungen des Elektromotors 11 bei statischer Beanspruchung, wie sie beim Blockieren der Armatur 16 auftritt, erfaßt.
In einer dritten Ausführungsform ist vorgesehen, die Temperatur ϑ des Stellantriebs 1 am Elektromotor 11 und am Getriebe 12 zu messen. Vorteilhafterweise wird hierbei sowohl die Erwärmung des Stellantriebs 1 infolge der hohen Verlustleistung im Getriebe 12 bei dynamischer Beanspruchung als auch die Erwärmung des Stellantriebs 1 infolge der ohmschen Verluste in den Wicklungen des Elektromotors 11 bei statischer Beanspruchung erfaßt. Dabei ist für die weitere Verarbeitung die jeweils höhere gemessene Temperatur maßgebend.
In Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur ϑ wird die Drehzahl n des Elektromotors 11 unter Aufrechterhaltung des Drehmoments M reduziert. Die dem Getriebe 12 zugeführte Leistung ist proportional dem Produkt aus dem Drehmoment M und der Drehzahl n am Antriebsstrang, P ~ M . n. Folglich sinkt die dem Getriebe 12 zugeführte Leistung proportional zur Verminderung der Drehzahl n. Bei gegebenem Wirkungsgrad η ≦ 0,5 sinkt damit auch die in dem Getriebe 12 in Wärme umgesetzte Verlustleistung proportional zur Verminderung der Drehzahl n.
Hierzu ist in Fig. 3 die Verlustleistung PV im Getriebe 12 bei vorgegebenem Wirkungsgrad η in Abhängigkeit von der Drehzahl n für verschiedene Drehmomente M1 bis M3 mit M1 < M2 < M3 aufgetragen. Das Bezugszeichen PG bezeichnet dabei genau die Verlustleistung PV , deren äquivalente Wärmemenge über die Oberfläche des Getriebes 12 an die Umgebung unter Aufrechterhaltung einer konstanten Getriebetemperatur abgegeben wird. Entsprechend der Beziehung P ~ M . n ist jedem Drehmoment M1 bis M3 jeweils genau eine Drehzahl n1 bis n3 zugeordnet, bei der für eine vorgegebene Temperatur die Verlustleistung PV = PG ist.
Dementsprechend wird bei Einstellung der Drehzahl n1 für ein vorgegebenes Drehmoment M1 genau die Verlustleistung PV = PG in Wärme umgesetzt, deren äquivalente Wärmemenge über die Oberfläche des Getriebes 12 an die Umgebung unter Aufrechterhaltung einer konstanten Getriebetemperatur abgegeben wird. Das gleiche gilt für die Drehzahl/Drehmoment - Pärchen n2/M2 und n3/M3 für weitere vorgegebene Drehmomente. Gestützt auf die Beziehung P ~ M . n und verfiziert durch die Darstellung in Fig. 3 ist erkennbar, daß zur Begrenzung der Verlustleistung PV auf die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Getriebetemperatur zulässigen Verlustleistung PV = PG bei geringeren Drehmomenten M1 < M2 < M3 größere Drehzahlen n1 < n2 < n3 zulässig sind und umgekehrt.
Die Drehzahl n am Antriebsstrang des Getriebes 12 ist gleich der Drehzahl n der Rotorwelle des Elektromotors 11. Die Drehzahl n der Rotorwelle des Elektromotors 11 wird über die Frequenz f der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 eingestellt. Das Drehmoment M wird bei gegebener Frequenz f ~ n durch die Amplitude U der Ausgangsspannung mit M ~ U2/f2 entsprechend der steuerungstechnischen Aufgabe aus der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage eingestellt.
In Fig. 4 ist ein Kennlinienfeld der Abhängigkeit des Drehmoments des Motors von der Amplitude U und der Frequenz f der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 für verschiedene Drehmomente M1 bis M3 mit M1 < M2 < M3 dargestellt. Aus der Zuordnung einer Drehzahl n1 bis n3 zu jedem Drehmoment M1 bis M3 ergeben sich über die Beziehung f ~ n Frequenzen f1 bis f3, wobei jedem Drehmoment M1 bis M3 genau eine Frequenz f1 bis f3 zugeordnet ist. Über die Abhängigkeit des Drehmoments M ~ U2/f2 von der Frequenz f ~ n und der Amplitude U der Ausgangsspannung wird für jedes Drehzahl/Drehmoment-Pärchen n1/M1, n2/M2 und n3/M3 die zugehörige Amplitude U1, U2 und U3 der Ausgangsspannung ermittelt.
Für einen gegebenen Stellantrieb 1 mit konstruktiv bedingtem und somit vorgegebenem Wärmeübergangsverhalten zur Umgebung ist für jede Umgebungstemperatur die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Getriebetemperatur zulässige Verlustleistung PV = PG definiert. Für jedes durch die steuerungstechnische Aufgabe geforderte Drehmoment M sind für den gegebenen Stellantrieb 1 die zugehörige Frequenz f und Amplitude U der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 durch jeweils ein Tripel [M, f, U] eindeutig beschrieben. Die Gesamtheit aller Tripel eines gegebenen Stellantriebs 1 werden in einer Kennlinie zusammengefaßt, die in der Steuerung 13 hinterlegt wird.
Durch geeignete Wahl der Drehzahl n wird die Verlustleistung im Getriebe 12 auf einen Wert begrenzt, der die Abfuhr der durch die Verlustleistung erzeugten Wärmemenge über die Oberfläche des Getriebes 12 an die Umgebung unter Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Getriebetemperatur gestattet.
Dazu ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Temperatur des Stellantriebs 1 amplitudenkontinuierlich gemessen wird und die Drehzahl n kontinuierlich, proportional zum Temperaturanstieg bei konstantgehaltenem Drehmoment M reduziert wird. Dabei wird die Drehzahl n durch die Frequenz f und das aufrechtzuerhaltene Drehmoment M bei gegebener Frequenz f durch die Amplitude U der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 eingestellt.
Hierzu ist in Fig. 5 der Bereich zulässiger Amplituden U und Frequenzen f über die Temperatur des Stellantriebs 1 dargestellt. Bei einer Getriebetemperatur 9 unterhalb des Nennwerts ϑn, ϑ < ϑn, sind alle Frequenzen f ≦ fmax und Amplituden U ≦ Umax zulässig. Bei Getriebetemperaturen 9 oberhalb des Nennwerts ϑn, ϑ < ϑn, ist jeder Getriebetemperatur ϑ bei vorgegebenem Drehmoment M genau eine Frequenz f und eine Amplituden U zugeordnet.
Vorteilhafterweise wird dabei für jede Temperatur des Stellantriebs 1 über die Verlustleistung genau die Wärmemenge erzeugt, die unter Aufrechterhaltung der aktuellen Temperatur an die Umgebung abgegeben wird. Folglich wird die Armatur 16 bei jeder Temperatur mit der jeweils zulässigen, höchsten Verstellgeschwindigkeit entsprechend der steuerungstechnischen Aufgabe aus der umgebenden verfahrenstechnischen Anlage eingestellt.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, daß sobald die kontinuierlich gemessene Temperatur ϑ des Stellantriebs 1 einen vorgegebenen Nennwert ϑn überschreitet, die Drehzahl n auf einen reduzierten, festen Wert eingestellt wird, der bei konstantgehaltenem Drehmoment M so gewählt ist, daß beim weiteren Betrieb des Stellantriebs 1 ein vorgegebener Grenzwert ϑG der Temperatur maximal erreicht aber nicht überschritten wird. Dabei wird die Drehzahl n durch die Frequenz f und das aufrechtzuerhaltene Drehmoment M bei gegebener Frequenz f durch die Amplitude U der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 eingestellt.
Hierzu ist in Fig. 6 der Bereich zulässiger Amplituden U und Frequenzen f über die Temperatur des Stellantriebs 1 dargestellt. Bei einer Getriebetemperatur 9 unterhalb des Nennwerts ϑn, ϑ < ϑn, sind alle Frequenzen f ≦ fmax und Amplituden U ≦ Umax zulässig. Bei Getriebetemperaturen ϑ oberhalb des Nennwerts ϑn, ϑ < ϑn, sind die Frequenz f und die Amplituden U der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 19 bei vorgegebenem Drehmoment M fest eingestellt.
Bezugszeichenliste
1
Stellantrieb
11
Elektromotor
12
Getriebe
13
Steuerung
14
Energiezufuhr
15
Steuersignale
16
Armatur
17
Anschaltkasten
18
Temperaturfühler
19
Frequenzumrichter
20
Transportrohr

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs zur Steuerung von Armaturen, wobei der Stellantrieb einen aus einem Frequenzumformer gespeisten Elektromotor aufweist, der über ein selbsthemmendes Getriebe eine Armatur mit einem vorgegebenen Drehmoment verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) während des laufenden Betriebs gemessen wird und in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur ϑ die Drehzahl n des Elektromotors (11) unter Aufrechterhaltung des Drehmoments M reduziert wird, indem die Amplitude U und die Frequenz f der Ausgangsspannung des Frequenzumformers (19) proportional zueinander verringert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) amplitudenkontinuierlich gemessen wird und die Drehzahl n kontinuierlich, proportional zum Temperaturanstieg bei konstantgehaltenem Drehmoment M reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) amplitudenkontinuierlich gemessen wird und die Drehzahl n bei konstantgehaltenem Drehmoment M auf einen reduzierten, festen Wert eingestellt wird, sobald die kontinuierlich gemessene Temperatur 9 des Stellantriebs (1) einen vorgegebenen Nennwert ϑn, überschreitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) am Getriebe (12) gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) am Elektromotor (11) gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) am Elektromotor (11) und am Getriebe (12) gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß eine erkannte Erhöhung der Temperatur ϑ des Stellantriebs (1) am Elektromotor (11) und/oder am Getriebe (12) an einen entfernten Leitstand signalisiert wird.
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